據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組稱，一種新型鐵電聚合物特別善于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)變，有望成為高性能運(yùn)動(dòng)控制器或"致動(dòng)器"，在醫(yī)療設(shè)備、先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)和精密定位系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖為由焦耳加熱驅(qū)動(dòng)的鐵電聚合物的驅(qū)動(dòng)力
圖為由焦耳加熱驅(qū)動(dòng)的鐵電聚合物的驅(qū)動(dòng)力
機(jī)械應(yīng)變，即材料在受力時(shí)如何改變形狀，是執(zhí)行器的一個(gè)重要屬性，執(zhí)行器是指在施加電能等外力時(shí)將改變或變形的任何材料。傳統(tǒng)上，這些執(zhí)行器材料是剛性的，但軟性執(zhí)行器，如鐵電聚合物，顯示出更高的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性。
研究表明，鐵電聚合物納米復(fù)合材料有可能克服傳統(tǒng)壓電聚合物復(fù)合材料的局限性，為開發(fā)具有更強(qiáng)應(yīng)變性能和機(jī)械能量密度的軟執(zhí)行器提供了一條有希望的途徑。由于軟執(zhí)行器的強(qiáng)度、功率和靈活性，機(jī)器人研究人員對(duì)其特別感興趣。
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授、最近發(fā)表在《自然-材料》雜志上的研究報(bào)告的共同通訊作者Qing Wang說："我們現(xiàn)在有可能擁有一種軟體機(jī)器人，我們稱之為人工肌肉。這將使我們能夠擁有軟性物質(zhì)，除了大的應(yīng)變外，還能承載高負(fù)荷。因此，這種材料就會(huì)更多地模仿人類肌肉，一種接近人類肌肉的材料。"
然而，在這些材料能夠?qū)崿F(xiàn)其承諾之前，還有一些障礙需要克服，研究報(bào)告中提出了解決這些障礙的潛在方案。鐵電體是一類材料，當(dāng)施加外部電荷，材料中的正負(fù)電荷走向不同的極點(diǎn)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出自發(fā)的電極化。這些材料在相變過程中的應(yīng)變，在這種情況下，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可以完全改變其形狀等屬性，使其成為有用的執(zhí)行器。
鐵電致動(dòng)器的一個(gè)常見應(yīng)用是噴墨打印機(jī)，電荷改變致動(dòng)器的形狀，以精確控制在紙上沉積墨水的微小噴嘴，形成文字和圖像。
雖然許多鐵電材料是陶瓷，但它們也可以是聚合物，這是一類由許多類似單元粘合在一起的天然和合成材料。例如，DNA是一種聚合物，尼龍也是如此。鐵電聚合物的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們表現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)所需的大量電場(chǎng)誘導(dǎo)的應(yīng)變。這種應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他用于執(zhí)行器的鐵電材料所產(chǎn)生的應(yīng)變，如陶瓷。
鐵電材料的這一特性，以及高度的靈活性、與其他鐵電材料相比成本的降低和低重量，對(duì)日益增長(zhǎng)的軟體機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員有著極大的興趣，軟體機(jī)器人是指具有柔性部件和電子器件的機(jī)器人設(shè)計(jì)。
Wang說："在這項(xiàng)研究中，我們?yōu)檐洸牧向?qū)動(dòng)領(lǐng)域的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)提出了解決方案。一個(gè)是如何提高軟材料的力。我們知道作為聚合物的軟驅(qū)動(dòng)材料具有最大的應(yīng)變能力，但與壓電陶瓷相比，它們產(chǎn)生的力要小得多。"
第二個(gè)挑戰(zhàn)是，鐵電聚合物致動(dòng)器通常需要一個(gè)非常高的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，這是一個(gè)在系統(tǒng)中施加變化的力，例如致動(dòng)器的形狀變化。在這種情況下，高驅(qū)動(dòng)場(chǎng)對(duì)于在聚合物中產(chǎn)生成為致動(dòng)器所需的鐵電反應(yīng)的形狀變化是必要的。
為改善鐵電聚合物的性能而提出的解決方案是開發(fā)一種滲流式鐵電聚合物納米復(fù)合材料--一種附著在聚合物上的微觀貼紙。通過將納米顆粒納入一種聚合物--聚偏二氟乙烯，研究人員在聚合物內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)相互連接的極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò)使鐵電相變能夠在比通常所需的低得多的電場(chǎng)下被誘導(dǎo)出來。這是通過使用焦耳加熱的電熱方法實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量。使用焦耳加熱來誘導(dǎo)納米復(fù)合聚合物的相變，結(jié)果只需要不到鐵電相變通常需要的電場(chǎng)強(qiáng)度的10%。
通常情況下，鐵電材料中的這種應(yīng)變和力是相互關(guān)聯(lián)的，呈反比關(guān)系。現(xiàn)在研究人員可以把它們整合到一種材料中，利用焦耳加熱來驅(qū)動(dòng)它。由于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)要低得多，不到10%，這就是為什么這種新材料可以用于許多需要低驅(qū)動(dòng)場(chǎng)才能有效的應(yīng)用，如醫(yī)療設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和軟機(jī)器人。
